热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO

摘要

本发明属于CO

说明书

技术领域

本发明属于CO₂减排处理领域，具体地涉及一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶 液循环吸收-解吸CO₂中的应用。

背景技术

CO₂是引起全球变暖最主要的温室气体。近100多年来，人类的大规模工业化过程导致 温室气体无节制地排入大气，随着森林资源的减少，CO₂含量的上升已经超过植物和海洋 的吸收能力。每年全球大概有240亿吨的CO₂排出，而近40％的排放量都源于世界各国的 发电厂。据统计，中国目前共有三千多座煤炭发电厂(全世界约五千多座)，以一个300 兆瓦规模的发电厂为例，其发电效率一般在35％左右，每小时发电105兆瓦，而排放近290 吨二氧化碳(1吨煤燃烧理论上产生3.67吨二氧化碳，实际产生约2.34吨二氧化碳)。全世 界每年共排放三百多亿吨二氧化碳，造成了严重的温室效应。因此，二氧化碳的捕捉转化利 用刻不容缓。

采用有效手段回收废气中的CO₂可有效改善温室效应。如何降低捕捉CO₂的成本以及 将其变废为宝，实现其分离回收与综合利用，将成为21世纪最为重要的能源与环境问题之 一。

对于工业上排放的烟气CO₂，一般有三种捕捉方法，即燃烧前捕捉；富氧燃烧以及燃烧 后捕捉，由于前两种捕捉方法成本过高而无法实现商业化，发展较为成熟的燃烧后捕捉法一 般采用吸收法进行脱碳。有机胺法由于吸收量大、设备投入较小、价格较为低廉、可还原等 优势成为当前唯一被商业化的CO₂捕集技术。当前该捕集技术仍存在解吸能耗高、设备庞 大等问题，严重制约着烟气二氧化碳捕集技术的大规模推广。为解决传统捕集过程成本过高 的问题，碳酸酐酶(CA)作为生物催化剂被应用到了这项技术中。CA是已知催化CO₂水 合生成HCO₃^-的速率最快的酶，其催化速率常数能达到10⁶S^-1。国内外已有许多研究证明 CA能有效促进有机溶剂吸收CO₂的效率，但对于CA在解吸上的应用仍然不多。Blais和 Rogers等的研究表明，若在水溶性溶剂(如叔胺等)中加入CA，溶剂的解吸过程就能在较低 温度下进行，即大大降低了CCU(CO₂ Capture and Utilization,CCU)所需要的能量。而当前捕 集技术则主要建立在溶剂于两个独立的单元：CO₂吸收塔和CO₂解析塔之间进行循环的基础 上来吸收CO₂，在循环过程中加入CA同时催化吸收和解吸过程，能降低反应温度从而减少 能耗，但这对酶的稳定性要求较高，包括对高浓度有机胺溶液以及在低温吸收和高温解吸循 环过程中温度等环境的耐受性。国外有加拿大CO₂Solution Inc发表了一系列专利，2012年 发表的专利CA2803959通过化学修饰碳酸酐酶提高温度稳定性和有机溶剂耐受性，从而提 高MDEA吸收CO₂的效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液 循环吸收-解吸CO₂中的应用。

本发明应用基因重组表达获得的一种碳酸酐酶(PaCA)在本应用方法中催化有机胺循 环吸收和解吸CO₂，应用该酶在有机胺循环吸收和解吸CO₂过程中，具有比较稳定的催化 能力；在本发明所述应用中该酶在多次循环之后仍然能保持较好的稳定性，节省能量投入。

本发明的技术方案如下：

一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，所述热 稳定性碳酸酐酶为SEQ ID NO:2所示的氨基酸序列。

根据本发明所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应 用，该应用的方法为，包括如下步骤：

(1)向装有有机胺溶液的反应器内加入所述碳酸酐酶的酶液，加入量为15-75 mL/L有机胺溶液，称量反应器内混合溶液的重量为M0，在25-40℃(CO₂的捕集是低温吸 收，高温解吸，在本发明装置条件下常温具有更好的吸收效果)下向所述反应器的混合溶 液中通入CO₂，搅拌，检测pH，至pH值稳定不再变化时对有机胺溶液称重为M1和量取 体积为V1；

(2)吸收结束后升高反应器温度至50-100℃开始解吸CO₂，搅拌，检测pH变化，pH 值升高约1.0时解吸过程结束，对有机胺溶液量取体积为V2；

(3)若V1大于V2，则向步骤(2)中的有机胺溶液加水至V1体积，然后，对步骤 (2)解吸后的有机胺溶液或该加了水的有机胺溶液称重为M2；

(4)所述循环吸收-解吸中，吸收的二氧化碳的量为M1-M0，吸收后解吸二氧化碳 量为M1-M2；

(5)将经步骤(3)解吸后的有机胺溶液降至室温，回收至反应器作为下次吸收的吸 收液，重复步骤(1)-(5)，如此循环。

根据本发明所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应 用，优选的该应用的方法为，包括如下步骤：

(1)向装有有机胺溶液的反应器内加入所述碳酸酐酶的酶液，加入量为15-75 mL/L有机胺溶液，在25-40℃下向所述反应器的混合溶液中通入CO₂，搅拌，检测pH， 至pH值稳定不再变化；

(2)吸收结束后升高反应器温度至50-100℃开始解吸CO₂，搅拌，检测pH变化，pH 值升高约1.0解吸(注意全文统一，不是解析)过程结束；

(3)将经步骤(2)解吸后的有机胺溶液降至室温，回收至反应器作为下次吸收的吸 收液，重复步骤(1)-(3)，如此循环。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，所述 解吸温度优选为60-80℃。在解吸过程中，温度过低会发生解吸的CO₂被再吸收作用，而 温度过高导致能耗高，资金投入大。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，所述 碳酸酐酶在第一次吸收时加入，所述酶液的酶活浓度为32000U/mL。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，所述 的有机胺溶液选自乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、三乙 醇胺(TEA)、哌嗪(PZ)中的一种。

所述有机胺溶液浓度为:1-6mol/L，浓度过低吸收量少，而浓度过高传质慢导致吸 收效率低。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，优选 的是，所述的有机胺溶液选自乙醇胺(MEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、哌嗪(PZ) 中的一种。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，在所 述步骤(1)中每隔5-20min检测pH。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，在所 述步骤(2)中每隔1-15min检测pH。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，在所 述步骤(2)中pH的检测在27-28℃下测量。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，所述 搅拌的搅拌速率为200-450rpm。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，在所 述步骤(2)中的解吸时间为20-80min。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，所述 热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂可循环3-8次。

根据所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，优选 的是，所述热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂可循环3-5次。

本发明还提供一种编码权利要求1所述热稳定性碳酸酐酶的如SEQ ID NO:1所示的核 苷酸序列。

作为在大肠杆菌中异源表达的重组碳酸酐酶，该酶有比较好的热稳定性和MDEA耐受性， 可用于促进二氧化碳的循环吸收和解吸。

本发明所述的重组碳酸酐酶可以应用于其它有机胺溶液解吸CO₂的体系中，也可应用于不 同温度下的循环吸收-解吸体系。

本发明模拟工业捕集CO₂中具有一定高径比的装置，直接采用有机胺溶液对CO₂进行 先吸收至一定浓度再升温解吸，解吸温度在加入碳酸酐酶催化的基础上适当低于工业条件。

有益技术效果：

本发明提供一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用， 在该应用中，使该重组碳酸酐酶具有在25～40℃下促进二氧化碳吸收，50-100℃下促进二氧化 碳解吸作用；酶催化效率高，可加快二氧化碳捕捉速率和实现在较低温度下的二氧化碳释放 和再生，从而降低设备投资(降低二氧化碳吸收塔的高度)和降低能耗(现有技术的解析温 度一般都在110℃以上)，可用于碳捕捉封存技术，减少环境污染。

本发明构造的重组碳酸酐酶的稳定性好，在本发明提供的应用中可以循环使用进行二氧 化碳的吸收和解吸，在多次循环之后仍然能保持较好的稳定性，更好地节省能量投入。

附图说明

图1为实施例2中PaCA循环吸收和解吸过程中，3次循环吸收反应和解吸反应pH比 较。

图2为实施例3中PaCA循环吸收和解吸过程中，3次循环吸收反应和解吸反应pH比 较。

图3为实施例4中PaCA循环吸收和解吸过程中，3次循环吸收反应和解吸反应pH比 较。

注：1-1：一次吸收；1-2：一次解吸；2-1：二次吸收；2-2：二次解吸；3-1：三次吸收； 3-2：三次解吸。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而 不用于限制本发明的范围。

实施例1 PaCA酶液的制备

1.1培养基：

LB固体培养基(g/L)：酵母膏5，蛋白胨10，氯化钠10，琼脂15

LB液体培养基(g/L)：酵母膏5，蛋白胨10，氯化钠10

1.2制备步骤

根据Blast比对得到碳酸酐酶核苷酸序列(Seq No.1，命名为PaCA)，经优化后由南京 金斯瑞生物科技有限公司进行全基因合成，然后与质粒pET21a(Novagen)进行连接，重 组质粒PaCA-pET21a转化到BL21(DE3)感受态细胞(购于天根生化科技(北京)有限公司)， 挑取阳性克隆单菌落进行表达验证为可溶性活性表达。

取甘油管中的大肠杆菌划线于带有氨苄抗性LB固体培养基的平板上。37℃培养12-16 h，挑取单菌落转接到装有5mL LB液体培养基中的试管中进行培养，37℃，200rpm培养， OD₆₀₀达到0.4-0.8时转接到装有400mL LB液体培养基中扩大培养，培养菌液OD₆₀₀达到 0.4-0.6，然后加入终浓度0.1mM的IPTG，温度调至30℃低温诱导12h。

离心收集菌体(8000rpm，10min)，用PB缓冲液(0.05M，pH7.0)重悬清洗两遍， 最后用一定体积PB缓冲液重悬(体积：菌体湿重；3:1)。超声破壁10min(200W，work3s， interval5s)。12000rpm离心20min取上清即得粗酶液。所述酶液应用于本发明以及以下实 施例中。所述酶液的酶活浓度为32000U/mL。

实施例2：热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用： 材料与仪器：反应器为5L带夹套玻璃反应器(高径比为8:1)，上海科兴玻璃仪器厂提供。

N-甲基二乙醇胺(MDEA)，分析纯；碳酸酐酶，公司自制(PaCA)；CO₂气体，上海 熙勤气体有限公司提供。

本实施例采用循环吸收、解吸的方法来评估PaCA催化有机胺溶液吸收和解吸CO₂的效率 以及酶的稳定性。

实验方案为常温吸收—80℃解吸(加入800U/mL PaCA酶液)。吸收体系为2L3M MDEA 溶液，以6L/min的速率向体系通入CO₂，每隔10min检测pH，至pH值稳不再变化时对吸收体 系进行称重。吸收结束后升高反应器温度至80℃开始解吸CO₂，每隔5min检测pH变化(pH均 在27-28℃下测量)。反应体系在解吸前称重并量取体积，解吸后再次量取体积，减少的部分 认为由水分蒸发所引起，加水至原体积后称取解吸后质量。在第一次吸收-解吸实验结束后， 将降至室温的解吸后贫液回收至反应器作为第二次吸收的吸收液。按上述步骤重复吸收—解 吸，共进行3次循环。对每次吸收和解吸过程中收集的数据进行分析比较，从3次循环中吸收 反应和解吸反应pH(图1)和质量变化(表1)中可判断该酶具有较好的稳定性。

表1

实施例3：热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用：

材料：单乙醇胺(MEA)，分析纯。其他实验条件与实施例2相同。

实验方案为30℃吸收—60℃解吸，加入900U/mL PaCA酶液，吸收体系为2L3M MEA 溶液，以6L/min的速率向体系通入CO₂，每隔10min检测pH，至pH值稳不再变化时对 吸收体系进行称重。吸收结束后升高反应器温度至80℃开始解吸CO₂，搅拌速率为300rpm， 每隔5min检测pH变化(pH均在27-28℃下测量)，解吸时间为60min。反应体系在解吸前 称重并量取体积，解吸后再次量取体积，减少的部分认为由水分蒸发所引起，加水至原体积 后称取解吸后质量。在第一次吸收-解吸实验结束后，将降至室温的解吸后贫液回收至反应 器作为第二次吸收的吸收液。

按上述步骤重复吸收—解吸，共进行3次循环。对每次吸收和解吸过程中收集的数据进 行分析比较，从3次循环中吸收反应和解吸反应pH(图2)和质量变化(表2)中可判断该 酶具有较好的稳定性。

表2

实施例4：热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用：

材料：哌嗪(PZ)，分析纯。其他实验条件与实施例2相同。

实验方案为35℃吸收—75℃解吸，加入1000U/mL PaCA酶液。吸收体系为2L3M PZ 溶液，以6L/min的速率向体系通入CO₂，每隔10min检测pH，至pH值稳不再变化时对 吸收体系进行称重。吸收结束后升高反应器温度至75℃开始解吸CO₂，搅拌速率为380rpm， 每隔5min检测pH变化(pH均在27-28℃下测量)，解吸时间为60min。

按上述步骤重复吸收—解吸，共进行3次循环。对每次吸收和解吸过程中收集的数据进 行分析比较，从3次循环中吸收反应和解吸反应pH(图3)和质量变化(表3)中可判断该 酶具有较好的稳定性。

表3

本发明提供一种热稳定性碳酸酐酶在催化有机胺溶液循环吸收-解吸CO₂中的应用，在 该应用中，使该重组碳酸酐酶具有在低温下促进二氧化碳吸收，高温下促进二氧化碳解吸作 用；酶催化效率高，可加快二氧化碳捕捉速率和实现在较低温度下的二氧化碳释放和再生， 从而降低设备投资(降低二氧化碳吸收塔的高度)和降低能耗(现有技术的解析温度一般都 在110℃以上)，可用于碳捕捉封存技术，减少环境污染。本发明构造的重组碳酸酐酶的稳 定性好，在本发明提供的应用中可以循环使用进行二氧化碳的吸收和解吸，在多次循环之后 仍然能保持较好的稳定性，更好地节省能量投入。